單片機(jī)基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 1=1摘要：電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展是20世紀(jì)最重要的科技成果之一，進(jìn)入20世紀(jì)70年代，隨著科技的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)開始登上歷史舞臺(tái)。并以不可阻擋的勢頭迅猛發(fā)展，成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)主流方向。與此同時(shí)，作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支一一單片機(jī)，也發(fā)展迅速，其應(yīng)用早已滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，如儀器儀表、家電、機(jī)電一體化、產(chǎn)品研發(fā)與開發(fā)等，其中很多電子產(chǎn)品成果極大的豐富以及便利了我們的生活。單片機(jī)的另一個(gè)名稱就是嵌入式微控制器，原因就是它可以嵌入到任何微型或小型的儀器或設(shè)備中。單片機(jī)是一塊集成芯片，是在這塊芯片當(dāng)中，集成了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（ROM,RAM）、I/O

2、接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。使之可以完成各種功能。51單片機(jī)是單片機(jī)中最為簡單的一種，它具有性價(jià)比、集成度、可靠性高，體積小，控制功能強(qiáng)，擴(kuò)展性能好等特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用在我們的生活中。日常生活中，我們通常不單獨(dú)使用單片機(jī)，而是通過一些拓展電路，組成一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，配以半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，可編程接口，連上外設(shè)（包括鍵盤、LED、LCD顯示等）組成的電路，它可以根據(jù)不同場合，拓展不同的電路，以實(shí)現(xiàn)不同的功能，而依據(jù)其功能的繁簡程度不同，其拓展電路的復(fù)雜程度也不相同。關(guān)鍵詞：單片機(jī)電源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器LED顯示鍵盤VF轉(zhuǎn)換器輸出串口通信信號(hào)放大系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：1.設(shè)計(jì)5V,12V-

3、12V電源。我們最熟悉的電源是220伏交流市電，但若直接使用這個(gè)市電，則最多能夠點(diǎn)亮一盞燈或轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)電風(fēng)扇等。若要在一個(gè)電子電路或計(jì)算機(jī)上使用市電，則必須首先將其轉(zhuǎn)換為直流穩(wěn)壓電源后才能使用。本設(shè)計(jì)主要利用變壓器降壓、整流橋整流、電容濾波和三端集成穩(wěn)壓管LM7805、LM7812、LM7912穩(wěn)壓，最終得到穩(wěn)定的5V,12V-12V直流電源。其電路原理圖如下：11llJIMJIE-1|JIMJICHIIM12V電源2.用一片AT24C02FLASHRAM擴(kuò)展256字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。AT24C02是一個(gè)2K位串行CMOSE2PROM,（FLASHRAM兼有EPROM和E2PROM的性能。）內(nèi)

4、部含有256個(gè)8位字節(jié)，有一個(gè)16字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過IIC總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。其芯片介紹如下圖：A0VCCA1SCLSDA引腳圖耳引腳圖管腳名稱功能AOsAA2器件地址選揮SDL串行數(shù)據(jù).地址SOL串行時(shí)鐘WP寫保護(hù)VCC+1.0V-6.OVT作電壓VSS地1引腳功能圖AT24C02操作時(shí)有兩種尋址方式：芯片尋址和片內(nèi)子地址尋址。（1）芯片尋址：AT24C02的芯片地址為1010，其地址控制字格式為1010A2A1A0R/W。其中A2,A1,A0可編程地址選擇位。A2,A1,A0引腳接高、低電平后得到確定的三位編碼，與1010形成7位編碼，即為該器件的地址碼。R/

5、W為芯片讀寫控制位，該位為0,表示芯片進(jìn)行寫操作。（2）片內(nèi)子地址尋址：芯片尋址可對(duì)內(nèi)部256B中的任一個(gè)進(jìn)行讀/寫操作，其尋址范圍為00FF,共256個(gè)尋址單位.因此，用它來拓展256字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將它 的SCL與SDA引腳與單片機(jī)相連后，外圍電路不需要再多加額外的芯片，其電路如下圖所示：AT24cO2VCC斗1A3VCCA1HOLDGNDDATAPllAT24cO2拓展的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器圖3.用6片74LS164拓展6位LED靜態(tài)顯示器。LED數(shù)碼管實(shí)際上是由七個(gè)發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，數(shù)碼管中發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管,發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接

6、到電源負(fù)極的稱為共陰數(shù)碼管。LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)位，因此根據(jù)LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。A、靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng):靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O埠進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度咼，缺點(diǎn)是占用I/O埠多。B、動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是

7、那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。透過分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms,由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O口，而且功耗更低。本電路中，要求靜態(tài)顯示六位數(shù)碼管，如若用普通的靜態(tài)接口顯示電路，將a到dp直接與

8、單片機(jī)引腳相連，則需要48個(gè)引腳，很明顯，這不現(xiàn)實(shí)，不可能實(shí)現(xiàn)，所以，我們采用串行口來控制LED數(shù)碼管的顯示，在不需要串行口通信的場合，利用串行口加外圍芯片74LS164可方便的構(gòu)成LED顯示器的驅(qū)動(dòng)電路，串行口工作在方式0（即同步移位寄存器方式）時(shí)，數(shù)據(jù)傳送的波特率是固定的，其值為f/12。若MCS51單片機(jī)晶振頻率為6MHZ,則波特率為500kb/s,即每傳送一個(gè)二進(jìn)制位需要2us的時(shí)間。這種顯示電路屬于靜態(tài)顯示方式，比動(dòng)態(tài)顯示亮度更大一些。由于74LS164在低電平輸出時(shí)，允許通過的電流達(dá)8mA,故不必添加驅(qū)動(dòng)電路，亮度也較為理想。與動(dòng)態(tài)掃描相比，無需CPU頻繁的掃描顯示器，節(jié)省了CPU

9、的時(shí)間。電路如下，74LS164的AB端口與單片機(jī)的RXD相連，CP與單片機(jī)的TXD相連，當(dāng)然，在單片機(jī)串口被占用時(shí),也可與單片機(jī)的其他任意兩個(gè)引腳相連其示意圖如下：80511|COMLEDOCOMLED1COMLED6+5VRXDTXDL匸aQOQI74LS164BCPMR禺0Q1Q774LS164BCPMRjgOQlQ774LS164BCPMR+-SV74LS164拓展6位LED靜態(tài)顯示器圖4.用3片74LS164拓展24個(gè)鍵。74LS164是8位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個(gè)輸入端（DSA或DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入

10、端的數(shù)據(jù)輸入。兩個(gè)輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。時(shí)鐘（CP）每次由低變高時(shí)，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到Q0,Q0是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（DSA和DSB）的邏輯與，它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長度。主復(fù)位（MR）輸入端上的一個(gè)低電平將使其它所有輸入端都無效，同時(shí)非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平。其芯片圖如下:DSA14VCC符號(hào)引腳說明DSB2Q7DSA1數(shù)據(jù)輸入QC_3j12oeDSB2數(shù)據(jù)輸入QI41641105Q0-Q33-6輸出Q2國7dqaGND7地(0V)Q3_8JPIWRCP8時(shí)鐘輸理（低電平到高電平邊沿融發(fā)）GND7|lCp.M/Rg中央復(fù)

11、位輸入低電平有數(shù)）Q4-Q710-13輸出vcc14正電源MCS-51單片機(jī)串行口方式0為移位寄存器方式，外接6片74LS164作為拓展24個(gè)按鍵的接口，類似于6位數(shù)碼管顯示電路拓展，把RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時(shí)鐘脈沖o74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中A、B（第1、2腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個(gè)引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào)，共一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)可并接。T（第8腳）為時(shí)鐘輸入端，可連接到串行口的TXD端。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到T端時(shí)，移位寄存器移一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164中。R（第9腳）為復(fù)位端，當(dāng)R=0時(shí)，移位寄

12、存器各位復(fù)0,只有當(dāng)R=1時(shí)，時(shí)鐘脈沖才起作用Q1Q8并行輸出端分別接一個(gè)按鍵上。在循環(huán)移位過程中，掃描所有按鍵，判斷是否有按鍵按下其電路原理圖如下：5.用一片LM331等擴(kuò)展1路V/F轉(zhuǎn)換器。LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。其管腳及管腳功能如下圖:引腳號(hào)引腳名功能1CurrentOutput電疣輸出2RefCurrent基淮電疣3FrequencyOutput頻率輸出4GND接地5R/C接RU定時(shí)電路6Thresholod國值7ComparatorInput比較輸8VS電源LM331管腳

13、及管腳功能圖LM331的內(nèi)部電路組成由輸入比較器、定時(shí)比較器、R-S觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)管、等部分組成，輸出驅(qū)動(dòng)管采用集電極開路形式因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平,其內(nèi)部功能圖如下：而由LM331組成的電壓一頻率變換電路，是由外接電阻、電容和定時(shí)比較器、復(fù)零晶體管、R-S觸發(fā)器等構(gòu)成單穩(wěn)定時(shí)電路oLM331構(gòu)成的V/F式A/D轉(zhuǎn)換電路中，LM331將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率輸出，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可以采用光電隔離的方法使V/F轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)無電氣聯(lián)系。LM331輸出的頻率信號(hào)通過光電耦合器隔；離后與MCS51單片機(jī)的T1相連,MCS51單片機(jī)的T1作為計(jì)數(shù)器，

14、TO作為定時(shí)器，當(dāng)TO定時(shí)時(shí)間一定時(shí)，T1中的計(jì)數(shù)值隨頻率的變化呈線性變化，V/F輸出頻率與輸入電壓的關(guān)系也呈線性關(guān)系。其接口電路如圖：-I:T-i:TTlC3TC3SaVZF轉(zhuǎn)換K03ItZ.V/F轉(zhuǎn)換電路圖6.用一片DAC7512,CD4051等拓展8路12位的模擬量輸出。DAC7512是具有內(nèi)置緩沖放大器單片12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。CD4051/CC4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有A、B和C三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端以及INH共4個(gè)輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520V的數(shù)字信號(hào)可控制峰值至20V的模擬信號(hào)。例如，若VDD=+5V,VSS=0,VEE=-13.5V,則0

15、5V的數(shù)字信號(hào)可控制-13.54.5V的模擬信號(hào)。這些開關(guān)電路在整個(gè)VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無關(guān)。當(dāng)INH輸入端=“1”時(shí)，所有的通道截止。只有當(dāng)INH=0時(shí)，三位二進(jìn)制信號(hào)才可以選通8通道中的一個(gè)通道，連接該輸入端至輸出。其中VEE可以接負(fù)電壓，也可以接地。當(dāng)輸入電壓有負(fù)值時(shí)，VEE必須接負(fù)電壓，其他時(shí)候可以接地。P02.陽1咯PM宇P015CSVDDW2HEXFERDIODllVEEFDUREEDISDI4IOUT1DI5iounDI6DI7GNDGND10DACDS32LCJE=P03斗P：斗“吧ITPOS14M713GNDVCCD

16、A轉(zhuǎn)換GNDU5ALM324；GNDGND41寸GNDvccvllVVEEGNDDXX7X6X5X4X3XIXIxocEvccAEN74UC4051NP30P31拓展的8路12位的模擬量輸出圖7.用一片MAX232設(shè)計(jì)一路RS232串行口。RS232C是使用最早、應(yīng)用最多的一種異步串行總線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在串口通信中數(shù)據(jù)終端設(shè)備（簡稱DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（簡稱DCE）間物理連接線路的機(jī)械、電氣特性及通信格式和約定，是異步串行通信中應(yīng)用最廣的總線標(biāo)準(zhǔn)。由于MCS51系列單片機(jī)本身有一個(gè)全雙工的串行接口，因此使用RS-232串行接口總線非常方便。而MAX232接收/發(fā)送器是特別為滿足EIA/T

17、EA2232的標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的，它們具有功耗低、工作電源為單電源、外接電容僅為O.luF或luF的電容，其價(jià)格低，可在一般需要串行通信的系統(tǒng)中使用。MAX232引腳C1+與Cl-、C2+與C2-、V+與VCC、V與GND之間的4個(gè)O.luF的電容不可缺少，一般選用陶瓷介質(zhì)的電容oMAX232的引腳圖如下:C1IL1II0.W3C2IL4OJu5TXD1110RXD129VCCC+VCCC-V+C2+V-C2-GNDT1INT1OUTT21NT2OUTR1OUTR1INR2OUTR2IN138MAX232i6n2Odu6C如u15C4147MAX232弓|腳圖MAX232可以用作單片機(jī)和單片機(jī)之間、單片機(jī)和PC機(jī)串口之間的符合RS232串行接口電路。只要將待進(jìn)行串行傳輸?shù)脑O(shè)備的發(fā)送和接收端相應(yīng)的接上，編程即可。其與設(shè)備的連接分為有聯(lián)絡(luò)信號(hào)的串行通信與沒有聯(lián)絡(luò)信號(hào)的串行通信，有聯(lián)絡(luò)信號(hào)時(shí)，A、B設(shè)備間通信聯(lián)絡(luò)過程如下：當(dāng)A設(shè)備向B設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),先檢查CTS端，如果CTS無效，表明B設(shè)備不處于發(fā)送狀態(tài)，可以接收A設(shè)備的數(shù)據(jù)，A設(shè)備送出請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)RTS給B設(shè)備，B收到CTS信號(hào)后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送